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東京大学 工学系研究科 2011年8月実施 数学 第1問

Author

祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)

Description

I. 微分方程式 y+(2x2+1)y+y2+x4+x2+2x=0y'+(2x^2+1)y+y^2+x^4+x^2+2x=0 の一般解を求めよ。y=x2y=-x^2 が特解であることを用いてよい。

II. yy を二階まで連続微分可能とし、I(y)=x1x2F(x,y,y)dxI(y)=\int_{x_1}^{x_2}F(x,y,y')\,dx とする。

  1. 任意の微分可能な関数 η\eta に対し Y=y+kηY=y+k\etak1|k|\ll1)とおく。δI=I(Y)I(y)\delta I=I(Y)-I(y)kk の一次まで展開せよ。
  2. 両端で y(x1)=y1,y(x2)=y2y(x_1)=y_1,y(x_2)=y_2 が固定されているとき、極値を与える必要条件を求めよ。
  3. 始点で y(x1)=y1y(x_1)=y_1 のみが与えられ、終点の値が自由な場合の必要条件を求めよ。
  4. F=y2+(y)2,x1=0,x2=1,y(0)=1F=y^2+(y')^2,x_1=0,x_2=1,y(0)=1、終点自由の場合に極値を与える関数を求めよ。

题目描述

I. 求 y+(2x2+1)y+y2+x4+x2+2x=0y'+(2x^2+1)y+y^2+x^4+x^2+2x=0 的通解。可利用特解 y=x2y=-x^2

II. 设 yy 二阶连续可微,I(y)=x1x2F(x,y,y)dxI(y)=\int_{x_1}^{x_2}F(x,y,y')\,dx

  1. 对可微函数 η\eta,令 Y=y+kηY=y+k\etak1|k|\ll1。将 δI=I(Y)I(y)\delta I=I(Y)-I(y) 展开到 kk 的一阶。
  2. 两端固定 y(x1)=y1,y(x2)=y2y(x_1)=y_1,y(x_2)=y_2 时,写出取得极值的必要条件。
  3. 只有左端固定 y(x1)=y1y(x_1)=y_1、右端函数值自由时,写出极值的必要条件。
  4. F=y2+(y)2,x1=0,x2=1,y(0)=1F=y^2+(y')^2,x_1=0,x_2=1,y(0)=1,右端自由,求使 II 取极值的函数。

Kai

I

y=x2+uy=-x^2+u とおくと、原方程式は u+u+u2=0u'+u+u^2=0 となる。 u0u\ne0 のとき v=1/uv=1/u とおけば vv=1v'-v=1 なので、

y=x2+1Cex1.\boxed{y=-x^2+\frac1{Ce^x-1}}.

代換で除かれた解 y=x2\boxed{y=-x^2} も加える。式は分母が零でない区間で考える。C=0C=0y=x21y=-x^2-1 を与える。

II

1–2

FF を後二変数について展開し、部分積分すると、

δI=kx1x2(Fyη+Fyη)dx+o(k)=k[Fyη]x1x2+kx1x2(FyddxFy)ηdx+o(k).\delta I=k\int_{x_1}^{x_2}(F_y\eta+F_{y'}\eta')\,dx+o(k) =k[F_{y'}\eta]_{x_1}^{x_2} +k\int_{x_1}^{x_2}\left(F_y-\frac d{dx}F_{y'}\right)\eta\,dx+o(k).

両端固定では η(x1)=η(x2)=0\eta(x_1)=\eta(x_2)=0 である。変分の基本補題より、必要条件は

FyddxFy=0,y(x1)=y1,y(x2)=y2.\boxed{F_y-\frac d{dx}F_{y'}=0,\quad y(x_1)=y_1,\quad y(x_2)=y_2}.

3

η(x1)=0\eta(x_1)=0η(x2)\eta(x_2) は任意なので、Euler–Lagrange 方程式に加えて自然境界条件

Fy(x2,y(x2),y(x2))=0.\boxed{F_{y'}(x_2,y(x_2),y'(x_2))=0}.

4

方程式と境界条件は y=y,y(0)=1,y(1)=0y''=y,y(0)=1,y'(1)=0 であり、これを解くと、

y(x)=cosh(1x)cosh1.\boxed{y(x)=\frac{\cosh(1-x)}{\cosh1}}.

零でない変分 η(0)=0\eta(0)=0 に対する二次増分は 01(η2+(η)2)dx>0\int_0^1(\eta^2+(\eta')^2)dx>0 なので、これは唯一の最小化関数である。